第六章 聚合物基复合材料的成型工艺

复合材料
图4-5
手糊玻璃钢制品举例
复合材料 袋压成型
优点：仅用一个模具，就可得到形状复杂，尺寸较大，质量较好 的制件，也能制造夹层结构件
复合材料
一、真空袋成型 1. 过程
制品毛坯 真空袋密封 抽真空 固化 制品
2. 特征 1）工艺简单，不需要专用设备； 2）压力较小，最大为0.1MPa，只适 用厚度1.5mm以下复合材料制品
复合材料
复合材料
2. 工艺过程
预浸料下料、 铺叠 封装 抽真空 加热加压 固化
3. 真空封装材料铺叠顺序 构成隔离、透胶、吸胶、透气系统
复合材料
真空封装材料的铺层顺序
复合材料 3. 真空封装材料铺叠顺序
加热 预浸料熔融 粘流态 固化 高弹态 玻璃态
加压作用：压实预浸料，制备结构均匀、致密复合材料 加压时机：粘流态与高弹态区间 加压太早：树脂流失过多 加压太迟：树脂已进入高弹态，树脂结构不致密
复合材料 2. 糊制 1）表面层（胶衣层、富树脂层） 厚度：0.25~0.5mm，或300~500g/m2 涂刷（二遍，互相垂直）：喷涂 表面毡（材料）
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2）增强层 材料：玻璃布或短切毡
对接（注意对接缝错开） 拼接 搭接 二次固化拼接（d≥7mm,固化发热量太 大，制品易变形或分层） 弯角或凹凸处：玻布剪开，压平 特殊处理 直角：先填触变树脂，然后糊制 凸字：先用树脂浇注，然后糊制
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模具与辅助材料 一、模具基本要求 1. 2. 3. 4. 符合制品尺寸、精度、外观要求 足够的刚度、强度、热稳定性 较小的热容量，有效利用热能；与制品热膨胀系数匹配 质量轻，便于搬运，维护方便
复合材料 二、模具材料 ①木材；②石膏；③水泥；④石蜡； ⑤泡沫塑料（不脱模内芯）； ⑥可溶性盐（AlPO4（60~70%）+NaCO3 （30~40%） + NaBO2 （5~8%） ），80℃溶于水； ⑦低熔点金属58%Bi+42%Sn，熔点135 ℃； ⑧玻璃钢 ⑨金属：钢材、铸铝，不能用铜（铜盐可妨碍树脂固化）
复合材料 复合材料制件的设计过程
根据制品的要求选材（F、M) 根据材料的工艺性选择成型方法
根据单向性能铺层设计 工装模具设计
成型工艺实验
复合材料
复合材料
复合材料 二、成型工艺种类 手糊成型 真空袋压法成型 压力袋成型 树脂注射和树脂传递成型 喷射成型 层压成型 模压成型 缠绕成型 热压罐成型
复合材料 3. 真空封装材料铺叠顺序 专家系统：控制热压罐成型工艺过程 流动模型：树脂流动特性 热化学模型：树脂体系吸热、放热过程 空隙模型：成型缺陷 内应力模型：收缩应力、热应力
固化模型
复合材料 4. 工艺参数 固化温度、时间：取决于树脂体系和制件厚度； 升温速率 固化压力：排除过剩树脂，使制件密实； 加压时机 真空度：排除夹杂空气和挥发物
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3. 工艺流程
模具预热 模压料称量 涂刷脱模剂 预热
装模
制品
压制
检验
脱模
后处理
1）模压料估算
W V (1 )
：制品密度 V：体积 :物料损失系数(3%~5%)
复合材料
2）确定工艺参数
A. 温度 装模温度：取决于模压料品种，制品结构和生产效 率（快速成型80℃以上，一般室温~90 ℃） 升温速度：10 ℃/h~ 30 ℃/h 最高模压温度 固化温度（温度过低，固化不完全； 过高，局部固化，中间固化不良） 保温时间 固化反应时间不稳定，导热时间
复合材料
第6章 聚合物基复合材料成型工艺
教师：杜江华
复合材料
第6章 聚合物基复合材料成型工艺
本章教学目的：
1. 了解复合材料各种成型工艺 2. 掌握常用成型方法（手糊法、层压法、喷射法等） 3. 了解模具及辅助材料 4. 了解复合材料固化成型过程
本章重点难点：
复合材料常用成型方法（需要的常用设备及主要工艺参 数；复合材料固化成型过程）
复合材料 三、模具结构形式 单模 阴模（制品外表面光洁） 阳模（制品内表面光洁）
对合模
制品双面光洁
大型模具，由小块模具拼装而成
拼装模（组合模）
a.阴模示意图
b.阳模示意图
c.对模示意图
复合材料 四、辅助材料 油脂类：硅酯、黄油、凡士林、石蜡 1. 脱模剂 溶液类：聚乙烯醇（乙醇水溶液） 薄膜类：PVC、PE、PA
复合材料 2）增强材料准备 玻纤布裁剪：玻布沿径向45°剪裁 圆环形制品
复合材料 2）增强材料准备 玻纤布裁剪： 玻布裁成扇形 圆锥形制品
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玻纤布裁剪 布的拼接
圆环形制品 圆锥形制品
玻布沿径向45°剪裁 玻布裁成扇形
对接（表面质量要求高的产品）
搭接 3）胶衣糊准备
可选用专用胶衣糊制作表面层，提高表面层质量（外观、性能）
F-面积；H-厚度； ：密度；-物料损失系数
按层数下料：预先确定1mm板材所需胶布张数，据此估算
H＜5mm,=0.02~0.03; H＞9mm,=0.03~0.08
复合材料 3）组合 ①叠合体=铁板+衬纸+单面钢板+板料+双面钢板+板料 +…..+双面钢板+板料+单面钢板+衬纸+铁板 一个叠合体5~10块板，一次可压制7~10个叠合体 ②组合原则：厚板放二侧，薄板料放中间；薄板料放二 侧，后板料放中间；H≥20mm，单独压制 ③ 衬垫材料（衬纸、石棉布）：传热、传压均匀；多次 使用后变脆，应更换
变形性好，易被树脂浸透，易排除气泡，增厚效率高。
②加捻布（平纹布、斜纹布、缎纹布、单向布）0.05~0.6mm
表面平整、气密性好；价格贵、不易浸透树脂、增厚效果差
③玻璃布带；④短切纤维；⑤表面毡； ⑥短切毡
树脂浸透性好，气泡容易排除，变形性好，施工方便，制品含 胶量高60~80%，防渗效果好。
复合材料 2. 树脂 1）要求 ①粘度适宜，0.2~0.8Pa.S，对玻纤有良好浸润性；
复合材料 模压成型 1. 定义 将复合材料片材或模塑料放入金属对模中，在 温度和压力作用下，材料充满模腔，固化成型， 脱模制得产品的方法。 2. 特点 ①生产效率较高，制品尺寸准确， 表面光洁，产品无需二次加工，易 于机械化、自动化；
②模具设计制造复杂，压机及模具 投资高，产品尺寸受设备限制，只 适于大批量中小型制品。
复合材料 B. 压力
作用：克服模压料之间以及与模腔间的摩擦，物料充 满模腔；压紧制品，保证形状和尺寸 加压时机：树脂激烈反应放出大量气体之前 a. 凭经验（树脂拉丝）；b. 树脂凝胶温度；c. 气体释放量 放气充模（加压、卸压、反复几次）
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3）预热和预成型 A. 预热作用：改善工艺性能，提高模压料温度，缩短固 化时间，降低成型压力； B. 预热方法：加热板、红外线、电烘箱、高频、远红外 60~100 ，30min C. 预成型（室温下预先压制）：缩短生产周期，提高生 产效率及制品性能
复合材料 3. 固化（凝胶-----定型-----熟化） 固化方式 常温固化：温度＞15℃ （25~30℃）；湿度 ≤80% （15~30℃，8~24h） 加热固化：烘箱、固化炉、模具加热、红外 线加热 （60~80℃，1~2h） 丙酮萃取法 硬度法（巴氏硬度） ＞15
固化度
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4. 脱模：气脱、顶脱、水脱 5. 后处理
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三、成型工艺的选择 ①产品外形构造和尺寸大小 ②材料性能和产品质量要求 ③生产批量大小及供应时间要求 ④企业可能提供的设备条件及资金 ⑤综合经济效益，保证企业盈利
复合材料 第6章 聚合物基复合材料成型工艺
6.2 各种成型工艺方法简介
手糊成型工艺 一、定义 手糊成型又称接触成型，采用手工方法将纤维增强材 料和树脂胶液在模具上铺敷成型、室温（或加热）、无 压（或低压）条件下固化，脱模成制品的工艺方法。 工艺流程
②在室温下凝胶、固化，并且无低分子物产生； ③无毒或低毒； ④价格便宜，来源广泛。 2）常用树脂：不饱和聚酯、环氧树脂
3）辅助材料
①稀释剂 ②填料（降低成本，提高性能） ③触变剂（适用垂直面施工，活性SiO2） ④颜料（一般选用无机颜料，有机颜料影响固化）
复合材料 三、手糊工艺过程 1. 原材料准备 1）胶液配制 胶液工艺性：胶液粘度、凝胶时间 手糊工艺进行前，必须进行胶液凝胶时间试验。要使凝胶时 间大于或等于所配胶液施工时间，否则手糊不能顺利进行。 不饱和树脂配方（质量份） 树脂：100份；过氧化甲乙酮：2份（引发剂）； 萘酸钴苯乙烯溶液：1~4份（促进剂，加入量与环境温度有关）
பைடு நூலகம்
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2. 制品收缩 原因： ①拐角处圆弧半径过小； ②脱模剂用量太多； ③制品局部厚度过大； ④胶衣层厚度不均，后固化加热不均
复合材料 3. 制品翘曲和变形 原因： ①固化剂用量过大 ②制品太薄； ③制品厚度不均匀或不对称； ④树脂集聚； ⑤脱模太早，树脂固化度不够； ⑥后处理过早或温度不均
模具清理 补强层制作 固化 涂脱模剂 增强层制作 脱模 涂胶衣 表面层制作 产品检验 胶液配制 织物剪裁
切边加工
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1) 脱模剂、胶衣和纤维布
3) 重复纤维布和树脂过程。
2) 倒树脂并赶匀。 手糊成型工艺示意图
4) 固化
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复合材料 特点 优点： ①不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大，批量
小，形状复杂产品的生产。 ②设备简单，投资少，设备折旧费低。 ③工艺简单。 ④容易满足产品设计要求。 ⑤制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。
缺点： ①生产效率低，劳动强度大，卫生条件差。
②产品质量不易控制，性能稳定性不高。 ③产品力学性能较低。
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二、原材料选择 1. 增强材料
①无捻粗纱布（方格布）：0.1~0.8mm
制品：大尺寸产品的成型，如船体、 浴缸及小型飞机部件
复合材料 低成本树脂（LTM)基体材料:指在130-150°下固化，特 别是能在0.1MPa即真空压力下固化。
X-39机翼
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二、压力袋成型 压力为0.25~0.5MPa 制品：薄蒙皮、蜂窝夹层 结构件
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三、真空袋-热压罐成型 用于先进复合材料结构 1. 热压罐组成 罐体、真空泵、 压气机、储气罐、 控制柜
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聚合物基复合材料的制备大致可以分为4个步骤
复合材料 聚合物基复合材料的工艺特点 （1） 材料的形成与制品的成型是同时完成的 该特点可实现大型制品一次整体成型，简化制 品结构，并且减少组分零件和联接零件的数量，因而 减轻制片质量，降低工艺消耗和提高结构件使用性能 （2） 复合材料的成型比较方便 复合材料基体及增强材料的特点，可使得一些 复合材料用廉价简易设备和模具，不用加热和加工工 艺的方法，由原材料直接成型出大尺寸的制品。 一种复合材料可以采用多种方法成型，选择成 型方法可根据制品结构的特点、用途、生产量、成本 以及生产条件的综合资料考虑，选择最经济和最简便 的成型工艺
复合材料 层压成型 一、 工艺流程 1）胶布裁剪（下料） 连续切割，手工裁剪，d≥9mm厚板，
胶布纬向比横板窄5~10%
2）配叠（排版或配布）
①每块板料两面各放2~3张面层胶布 ②胶布挥发分＜7%，否则干燥处理 ③ d≥9mm 厚板，中间可夹配表角料、碎布，但不超过总量10% ④确定配料量 按质量法下料 G F H (1 )
修整：除去毛边、飞刺、修补表面及内部缺陷，钻孔
装配：机械连接、胶接
表面涂饰
复合材料 四、手糊制品缺陷及原因 1. 胶衣起皱、龟裂、变色 原因： 起皱 ①胶衣层太薄；②固化剂不足；③气温太低； ④胶衣层厚度不均；⑤胶衣层固化不足 龟裂 ①胶衣层太厚；②固化时热量过大； ③固化剂用量过多； 变色 ①固化剂用量过多；②胶衣流挂； ③颜色分离；④胶衣层厚度不均
复合材料 第6章 聚合物基复合材料成型工艺
6.1 概述
一、主要工艺过程 过程 生产准备
湿法
预成型
固化
脱模
整修
（毛坯） 预浸料 干法
要求
纤维均匀地按设计要求分布在制品各个部分； 树脂适量、均匀地分布在制品各个部位，并适当固化； 尽量减少气泡，降低空隙率，提高制品的致密性； 掌握所用树脂的工艺性能，制定合理的工艺规范。
不腐蚀模具，不影响树脂固化，对树脂粘附力小； 脱模剂要求：成膜时间短，成膜均匀、光滑； 使用温度高于树脂固化温度； 操作简便，使用安全，价格便宜
复合材料 2. 隔离材料（保护复合材料不受污染）： PVC、PA薄膜 3. 透气材料、吸胶材料：玻璃布、吸胶纸、吸胶毡 4. 真空袋材料：气球步、橡胶袋、尼龙薄膜 5. 密封材料：胶条、胶带